Polyimide: de top van de polymeerpiramide!

1. Invoering van polyimide

Polyimide (PI) is een aromatische heterocyclische polymeerverbinding waarvan de moleculaire structuur imideketeneenheden bevat. Het is een van de beste hittebestendige variëteiten in technische kunststoffen. Het wordt veel gebruikt in luchtvaart, lucht- en ruimtevaart, micro-elektronica, Nano, vloeibaar kristal, laser en andere gebieden.

Onlangs hebben alle landen het onderzoek, de ontwikkeling en het gebruik van PI genoemd als een van de ontwikkelingsprioriteiten van nieuwe chemische materialen in de 21e eeuw. Polyimide, vanwege zijn uitstekende eigenschappen in prestaties en synthese, heeft grote toepassingsperspectieven, hetzij als structureel materiaal of als functioneel materiaal.

Polyimide staat bekend als het topmateriaal van de piramide van polymeermaterialen, en staat ook bekend als een "probleemoplossende expert", en zelfs sommige mensen in de industrie geloven dat "zonder polyimide, er vandaag geen micro-elektronische technologie zou zijn.

2. Classificatie en toepassing van polyimide

Vanwege zijn uitstekende eigenschappen kan polyimide op verschillende gebieden worden gebruikt en kan ook worden onderverdeeld in verschillende soorten, waaronder technische kunststoffen, vezels, fotogevoelige polyimiden, schuimen, coatings, lijmen, films, aerogels, composietmaterialen, enz.

Onder de vele polymeren is polyimide het enige polymeer dat een breed scala aan toepassingen heeft en uitstekende prestaties in elke toepassing vertoont. Hieronder zal de editor u de belangrijkste toepassingen van verschillende soorten polyimide begrijpen.

1. Technische kunststoffen

Polyimide technische kunststoffen kunnen worden onderverdeeld in zowel thermohardende als thermoplastische, die kunnen worden onderverdeeld in polypyromellitische tetracarboximide (PMMI), polyetherimide (PEI), polyamide-imide (PAI), enz. Het heeft zijn eigen toepassingen op verschillende gebieden.

PMMI heeft een thermische vervormingstemperatuur van 360°C onder een belasting van 1.8MPa, en heeft uitstekende elektrische eigenschappen. Het kan voor precisiedelen onder speciale omstandigheden, zelfsmerende lagers op hoge temperatuur, afdichtende ringen, waaierwijders, enz. worden gebruikt voor klepdelen in contact met vloeibare ammoniak. , onderdelen van het brandstoftoevoersysteem voor straalmotoren.

PEI heeft uitstekende mechanische eigenschappen, elektrische isolatieeigenschappen, stralingsbestendigheid, weerstand op hoge temperatuur en slijtvastheid, goede smeltvloeibaarheid, en een vormkrimpstarief van 0.5% tot 0.7%. Het kan ook worden gecombineerd met andere materialen door te lassen, en wordt wijd gebruikt in elektronische apparaten, luchtvaart, auto's, medische apparatuur en andere industrieën.

De sterkte van PAI is de hoogste onder de huidige niet-versterkte kunststoffen, met een treksterkte van 190 MPa, een buigsterkte van 250 MPa en een thermische vervormingstemperatuur van maximaal 274 °C onder een belasting van 1.8 MPa. PAI heeft een goede ablatieweerstand en elektromagnetische eigenschappen bij hoge temperatuur en hoge frequentie, en heeft een goede hechting aan metalen en andere materialen. Het wordt hoofdzakelijk gebruikt voor tandwielen, lagers en kopieerafscheideklauwen, enz. Het kan ook worden gebruikt voor ablatie van vliegtuigmaterialen, magnetisch doorlatende materialen en structurele materialen.

2. Polyimidevezel

Polyimide vezel is een belangrijke high-performance vezel, en zijn hoge temperatuur bestendige polyimide vezel is een van de organische synthetische vezels met de hoogste temperatuur op dit moment. Vergeleken met aramidevezel en polyfenyleensulfide vezel, zijn de thermische eigenschappen en andere aspecten superieur. De sterkte van high-performance polyimide vezel is ongeveer 1 keer hoger dan die van aramidevezel, en het is een van de organische synthetische vezels met de beste mechanische eigenschappen op dit moment. .

Met de voortdurende ontwikkeling van het hightechveld, worden de eisen voor de fysische en chemische eigenschappen van PI-producten hoger en hoger. De mechanische, thermische, optische, elektrische, magnetische en andere eigenschappen van traditionele PI-materialen kunnen niet langer voldoen aan de speciale vereisten van materialen op het moderne wetenschappelijke en technologische gebied. Het is vereist dat PI high-performance vezels een typische vertegenwoordiger worden van de volgende generatie high-performance vezels vanwege hun superieure mechanische eigenschappen, thermische stabiliteit en stralingsbestendigheid.

Momenteel zijn de belangrijkste binnenlandse bedrijven die zich bezighouden met de PI-vezelindustrie Jiangsu Aoshen, Changchun Gaoqi, Keju Nieuwe Materialen, Jiangsu Xiannuo, enz. Onder hen, Changchun Gaoqi is uitgegroeid tot een belangrijke basis voor polyimide onderzoek, ontwikkeling en productie in mijn land. Jiangsu Xiannuo, een hoogwaardige organische vezel met volledig onafhankelijke intellectuele eigendomsrechten, slaagde de beoordeling van wetenschappelijke en technologische prestaties in 2016 en nam het voortouw in 2020. Voltooide de formulering van de nationale norm "High Strength and High Modulus Polyimide Filament".

3. Fotogevoelig polyimide (PSPI)

Fotogevoelige polyimide (PSPI) is een soort organisch materiaal met imine ring en fotogevoelig gen in de polymeerketen, dat uitstekende thermische stabiliteit, goede mechanische eigenschappen, chemische en fotogevoelige eigenschappen combineert.

Fotogevoelige polyimide heeft twee belangrijke functies op het gebied van elektronica: fotoresist en elektronische verpakking. "Polyimide photoresist" kan worden verkregen door sensibilisatoren en stabilisatoren toe te voegen aan lichtgevoelig polyimide. Vergeleken met traditionele fotoresist, omdat polyimide zelf goede diëlektrische eigenschappen heeft, is er geen behoefte om een fotoresist toe te passen dat tijdens gebruik als werkmedium fungeert, wat het proces aanzienlijk kan verkorten en de productie-efficiëntie kan verbeteren.

De productietechnologie van fotogevoelige polyimide (PSPI) wordt hoofdzakelijk gecontroleerd door Amerikaanse en Japanse bedrijven. Onder hen is Toray een van de meest succesvolle bedrijven in de marketing van neutrale PSPI-producten ter wereld. Zijn positieve producten worden gebruikt in microelektronische verpakkingen. , opto-elektronische verpakkingen en andere gebieden.

Beperkt door de achterwaartse productietechnologie, is de polyimide-industrie van mijn land nog steeds stabiel met low-end producten zoals films, de productie van fotogevoelige polyimide is relatief klein en de marktvraag is afhankelijk van invoer. Met de steun van het beleid "Made in China 2025" zijn de industrie, machines, elektronica en andere gebieden van mijn land het stadium van binnenlandse vervanging binnengekomen. Binnenlandse ondernemingen blijven hun begrip van PSPI verdiepen, en sommige ondernemingen hebben productietechnologie onder de knie.

Op dit moment omvatten lokale bedrijven die PSPI R en D en productie implementeren Ruihuatai, Mingshi New Materials, Guofeng Plastic Industry, Dinglong Technology, enz. Er is een grote ruimte voor binnenlandse alternatieven op dit gebied in de toekomst.

4. Polyimide schuim

Polyimide schuim is een soort polyimide materiaal. Het werd voor het eerst ontwikkeld door NASA Langley Research Center in samenwerking met Unitika America in de jaren zeventig. Het wordt gebruikt in ruimteshuttles en wordt nu veel gebruikt in vliegtuigen en schepen. , Treinen, auto's en andere gebieden, het heeft de kenmerken van intrinsieke vlamvertragende, sterke hittebestendigheid, lichtgewicht, milieubescherming en niet-toxiciteit, en kan worden gebruikt in extreme omstandigheden zoals ultra-hoge temperatuur, ultra-lage temperatuur, hoge zoutspray, sterk geluid, sterke corrosie, en sterke straling dienen onder.

Polyimide schuim kan worden onderverdeeld in drie categorieën:

(1) Hetzelfde als algemene polyimide, het gebruik van imide als de belangrijkste keten van het schuimmateriaal, is de gebruikstemperatuur boven 300 °C (PI-schuim)

(2) Schuim materiaal (PMI schuim) waarin imide ringen bestaan in de vorm van zijgroepen

(3) Nanoschuimmaterialen verkregen door thermisch onstabiele alifatische segmenten in polyimide te introduceren en bij hoge temperatuur te kraken.

Polyimide schuimmaterialen zijn geavanceerde functionele materialen en zijn in toenemende mate gebruikt in belangrijke materialen zoals hitteisolatie, schokabsorptie en geluidsreductie, en isolatie in high-tech gebieden zoals lucht- en ruimtevaart, oceaanvervoer, nationale defensie en micro-elektronica.

Momenteel is de belangrijkste toepassing van PI-schuim thermische isolatie en geluidsreductiematerialen voor schepen. Op dit moment bevindt onze marine zich in de derde climax van de scheepsbouw. Als voorkeursmateriaal voor thermische isolatie en geluidsreductie in nieuwe oorlogsschepen neemt de vraag naar PI-schuim snel toe.

Polymethacrymide schuim (kortweg PMI) is een nieuw type polymeer structuurschuim materiaal met de beste uitgebreide prestaties. Het is een hoge specifieke sterkte, hoge specifieke modulus, hoge gesloten celsnelheid en hoge hittebestendigheid. Prestatiecomposiet schuimkernmateriaal, met lichtgewicht, hoge sterkte en hoge/lage temperatuurbestendigheid. Bovendien, als het meest uitstekende structurele schuimkernmateriaal, wordt PMI-schuim veel gebruikt in windturbinebladen, helikopterbladen, lucht- en ruimtevaart en andere gebieden. De vervangingstrend voor PET-schuim is duidelijk en de marktruimte is breed.

PI schuim heeft een sterke hittebestendigheid, goede vlamvertraging, produceert geen schadelijk gas en is gemakkelijk te installeren. Het is een veel gebruikt thermische isolatie en geluidsreductiemateriaal. Op dit moment heeft de Amerikaanse marine PI-schuim gebruikt als thermische en geluidsisolatiemateriaal voor alle oppervlakteschepen en onderzeeërs. SOLIMIDE schuim geproduceerd door INSPEC is ontwikkeld door meer dan vijftien landen voor warmte- en geluidsisolatie systemen voor marineschepen. Bovendien wordt PI-schuim ook veel gebruikt in civiele schepen, zoals luxe cruiseschepen, speedboten en LNG-schepen.

Vergelijkbaar met PI schuim, PMI schuim wordt ook veel gebruikt. Typische toepassingen voor PMI schuim zijn:

(1) Structureel schuimkernmateriaal: uitstekende compressiebestendigheid op hoge temperatuur, waardoor het wijd gebruikt wordt als kernmateriaal in ventilatorbladen, luchtvaart, ruimtevaart, schepen, sportmateriaal, medische apparatuur en andere gebieden;

(2) Breedbandgolf-uitzendend materiaal: lage diëlektrische constante en verlies maken het wijd gebruikt in radar, antenne en andere gebieden;

(3) Thermische en geluidsisolatiematerialen: hogesnelheidslocomotieven, banden, luidsprekers, enz.

Sinds de 21e eeuw is het aantal eenheden dat deelneemt aan onderzoek naar polyimide schuim in mijn land aanzienlijk toegenomen, en er zijn grote doorbraken gemaakt in de industriële technologie. Momenteel zijn de belangrijkste binnenlandse fabrikanten van polyimide schuim Qingdao Oceaan, Kangda Nieuwe Materialen, Tiansheng Nieuwe Materialen, Zigong Zhongtiansheng, Qingdao Oceaan Nieuwe Materialen, enz. Onder hen, het Ningbo Instituut van Materialen, Chinese Academie van Wetenschappen heeft een proefinstallatie voor polyimide micro-uitgebreide deeltjes gebouwd, en de polyimide producten van Qingdao Oceaan en Kangda Nieuwe Materialen hebben de militaire test doorstaan.

5. Polyimide coating

Het gebruik van polyimide bij de voorbereiding van coatings is een van de vroegste toepassingen, en deze stoffen worden voornamelijk gebruikt als isolerende coatings voor geëmailleerde draden in coatings. De isolerende deklaag van geëmailleerde draad dompelt hoofdzakelijk de buitenste laag van verschillende soorten naakte koperdraad, legeringsdraad en glasdraad bedekt draad zoals ronde draad en platte draad, om de buitenste laag van de geëmailleerde draad te verbeteren en te stabiliseren.

Een van de belangrijke indicatoren van isolerende coatings is het hittebestendigheidsniveau. Volgens de ICE-85 thermische stabiliteit classificatienorm voor elektrische isolatiematerialen in gebruik geformuleerd door de International Electrotechnical Association in 1954, zijn de isolerende materialen verdeeld in 7 hittebestendigheidsniveaus.

De kenmerken van isolerende materialen die voldoen aan de eisen van industriële technologieontwikkeling zijn dat het isolatiesysteem lange tijd bij 180-200 °C of hoger moet kunnen werken, zonder significant gewichtsverlies en elektrische sterktevermindering, en goede elasticiteit, vochtbestendigheid, ozonbestendigheid, boogweerstand en andere eigenschappen moet behouden. Polyimide materialen kunnen goed aan deze eis voldoen om isolerende coatings met hittebestendigheidsgraden van F en hoger voor te bereiden. Polyimide kan worden gebruikt als isolerende verf voor magneetdraden, of als hoge temperatuurbestendige coatings.

6. Polyimide lijm

PI (polyimide) lijm is een soort organische heterocyclische lijm die imide cyclische structuur in de hoofdketen bevat. Het heeft uitstekende mechanische eigenschappen op hoge temperatuur, diëlektrische eigenschappen en stralingsbestendigheidseigenschappen. Hydrolyse is wijd gebruikt op high-tech gebieden zoals lucht- en ruimtevaart, precisie elektronische machines, enz., en heeft de problemen van lagere bovenste grenshittebestendigheidstemperatuur van andere organische lijmen opgelost.

Sinds de jaren zeventig hebben NASA Langley Research Center, DuPont en Hughes Aircraft Company achtereenvolgens een reeks hoogwaardige producten ontwikkeld met codenamen LARC-TPI, NR-150R2PI-S02 en LARC-13. De hoge temperatuur bestendige PI lijm die wordt geleid en op grote schaal is gebruikt in een verscheidenheid van vliegtuigen. In de jaren negentig zijn Amoco en Cytec bedrijven in de Verenigde Staten, en Mitsui Toyo Chemical Co., Ltd. in Japan de beroemdste bedrijven ter wereld geworden voor de productie van Pl lijmen.

7. Polyimide film

In de vroege ochtend van december 8,2018 werd de Chang'e-4 sonde gelanceerd vanuit het Xichang Satellite Launch Center, wat de eerste zachte landing van mijn land markeerde aan de andere kant van de maan, een grote doorbraak in maanpatrouilledetectie en maannachtoverleving. Deze keer bracht Chang'e-4 met succes de nationale vlag naar de achterkant van de maan en markeerde het "China logo" voor de ruimte.

Er wordt gerapporteerd dat de nationale vlag van de sonde niet is gemaakt van gemeenschappelijke chemische vezelstoffen, zijde, katoen en ander textiel.

Zoals we allemaal weten is de ruimteomgeving heel bijzonder. Er is geen atmosfeer op het maanoppervlak. Wanneer het in een vacuümtoestand is en wordt blootgesteld aan zonlicht, kan de maximale temperatuur van het maanoppervlak overdag 123 °C bereiken. 's Nachts, buiten de maanmodule, daalt de temperatuur op de maan naar min 233 graden Celsius.

Een dergelijk temperatuurverschil is ondraaglijk voor gewone materialen, en de ultraviolette stralen die door de zon worden gegenereerd zijn zeer sterk, en er zijn ook stralingseffecten van kosmische stralen en hoogenergetische deeltjes, die een sterk destructief effect op materialen hebben.

Het nationale vlagmateriaal dat met de belangrijke taak wordt belast, is polyimide organische polymeerfilm, die volledig verschilt van de gemeenschappelijke vlag op de grond. Het kan de ruwe omgeving van het maanoppervlak weerstaan en zal niet vervagen of vervormen.

Naast het worden gebruikt als de "laag" van ruimtevaartuigen en de toepassing ervan in het leger, kan polyimide film worden gezien op het gebied van micro-elektronica, nanometers, vloeibare kristallen, scheidingsmembranen, lasers, en nieuwe energie.Bijvoorbeeld, transparante polyimide films kunnen worden gebruikt als flexibele zonnecel backplanes; PI kan worden gebruikt als volgende generatie lithium-ion batterij separator materialen, enzovoort.

In de afgelopen jaren, met de ontwikkeling van de elektronica-industrie, is high-performance polyimide film een belangrijk materiaal geworden voor micro-elektronica productie en verpakking, en wordt veel gebruikt bij de vervaardiging van ultra-grootschalige geïntegreerde circuits, automatische verlijming van draagbanden, flexibele verpakkingssubstraten en flexibele verbindingsbanden. lijnen, enz.

Bovendien is polyimide een ideaal materiaal voor hoge temperatuur bestendige gasscheidingsmembranen vanwege zijn hoge hittebestendigheid en goede algehele prestaties. Momenteel, wordt een zeer kleine hoeveelheid polyimide variëteiten gebruikt in hoge temperatuur bestendige gasscheidingsmembraanmaterialen voor de scheiding van verschillende gasparen (zoals waterstof/stikstof, stikstof/zuurstof, kooldioxide/stikstof, kooldioxide/methaan, enz.), van lucht, Het kan ook worden gebruikt als pervaporatiemembraan en ultrafiltratiemembraan om vocht uit koolwaterstofvoedergas en alcoholen te verwijderen. Echter, conventionele polyimideharsen zijn moeilijk op te lossen en te smelten, waardoor de mogelijkheid van hun brede industriële toepassing wordt beperkt.

8. Polyimide Aerogel

Polyimide aerogel (PIA) is een met elkaar verbonden driedimensionaal poreus materiaal dat bestaat uit polymeermoleculaire ketens. Het combineert de uitstekende eigenschappen van polyimide en aerogel. Het heeft niet alleen de uitstekende eigenschappen van polyimide, maar ook Bovendien heeft het de uitstekende kenmerken van lichtgewicht en ultra-lage dichtheid, hoog specifiek oppervlak, lage thermische geleidbaarheid, lage akoestische impedantie, milieuduurzaamheid en lage diëlektrische constante van aerogel. Het heeft uitstekende toepassingsperspectieven op het gebied van warmte, elektriciteit, mechanica en akoestiek.

Foto 6 (Polyimide Aerogel)

Om het bemande landingsplan van Mars te realiseren, paste het NASA-onderzoekscentrum polyimide aerogelmaterialen toe op het onderzoek van supersonische opblaasbare aerodynamische reductor (HIAD) bij het ontwikkelen van zware transporttechnologie. Door de duurzaamheid van polyimide aerogelmaterialen heeft het ook een breed scala aan toepassingen in brandstoftanks, ultralichte multifunctionele materialen voor rovers en ruimtehabitats. toepassingsperspectieven.

Naast het ruimtevaartgebied, hebben polyimide aerogelmaterialen goede toepassingsperspectieven op het gebied van elektronische communicatie, hitteisolatie en vlamvertragende materialen, adsorptie en reiniging, geluidsisolatie en geluidsabsorptie, katalytische dragers, en draad/kabel isolatielagen.

9. Polyimidematrixcomposieten

Vezelversterkte composietmaterialen zijn een nieuwe generatie lichtgewicht materialen na magnesium-aluminium legeringen. Polyimide-gebaseerde composietmaterialen hebben uitstekende weerstand op hoge temperatuur en trekeigenschappen, en worden veel gebruikt. Polyimide hars gebaseerde composietmaterialen hebben de kenmerken van hoge hittebestendigheid van polyimide, uitstekende mechanische eigenschappen, diëlektrische eigenschappen, oplosmiddelbestendigheid, enz., en zijn momenteel de hars-gebaseerde composietmaterialen met de hoogste temperatuur. motor), lucht- en ruimtevaart en andere gebieden zijn wijd gebruikt.

Na bijna 40 jaar van ontwikkeling, hebben polyimide hoge temperatuur hars gebaseerde composietmaterialen vier generaties composietmaterialen ontwikkeld, en de bedrijfstemperatuur is voortdurend verbeterd. Momenteel kunnen de meest geavanceerde composietmaterialen van de vierde generatie op basis van polyimide hars worden gebruikt in 450 °C voor langdurig gebruik.

Momenteel halen de toepassing en het onderzoek en de ontwikkeling van polyimide composietmaterialen in mijn land nog steeds in, en ondernemingen zoals AVIC Composite Materials Co., Ltd. zijn in staat geweest om de derde generatie harsproducten te produceren.

Bovendien is met de geleidelijke volwassenheid van de koolstofvezelindustrie de vraag naar koolstofvezelversterkte composietmaterialen aanzienlijk toegenomen. Als een van de meest uitstekende composietmateriaalcombinaties, heeft de combinatie van polyimide en koolstofvezel duidelijke voordelen in het grijpen van de high-end markt.

Polyimide bestrijkt bijna alle soorten polymeermaterialen, met inbegrip van high-performance films, technische kunststoffen, geschuimde kunststoffen, chemische vezels, lijmen, harsmatrix, isolerende materialen, functionele materialen, composietmaterialen, enz.

De prestaties van polyimide zijn sterk afhankelijk van zijn chemische structuur. Polyimiden met verschillende structuren kunnen worden geselecteerd of gesynthetiseerd volgens de toepassing, en kunnen ook worden gewijzigd door copolymerisatie, blending, vulling en versterking. De ontwikkeling van nieuwe polyimide is onlosmakelijk verbonden met de ontwikkeling van nieuwe monomeren. Diamine en dianhydride monomeren met speciale structuren zijn de noodzakelijke garantie voor de ontwikkeling van nieuwe soorten polyimide. Het verlagen van de kosten van monomeren is de sleutel tot het verminderen van polyimide. .

Aangezien polyimide-gerelateerde materialen een onvervangbare rol spelen in gevoelige gebieden zoals lucht- en ruimtevaart, militair en high-end elektronica, zijn de meeste buitenlandse polyimide grondstoffen, technologieën en producten strikt geblokkeerd in mijn land. Hoewel binnenlandse bedrijven al hard werken om in te halen, is er nog steeds een grote kloof tussen onze gelokaliseerde en massageproduceerde high-end producten en het geavanceerde niveau van buitenlandse landen. Daarom is het zeer dringend om polyimide gerelateerde producten krachtig te ontwikkelen, en er is nog een lange weg te gaan!